自动控制原理第1章课件

自动控制原理

电话：

1

课程名称：

自动控制原理（principlesofautomaticcontrol）

先修课程：

高等数学；电路分析；模电、数电；信号与系统等

学时：

自动控制理论B

56（理论48，实验8）

成绩评定：

总成绩=期末（70%）+平时（10%）+实验（10%）+期中（10%）课程基本信息2

如何学好自动控制原理

自动控制理论是一门理论性较强的课程。作为电气信息类各专业的学科基础课，它既是基础课程向专业课程的深入，又是专业课程的理论基础，是新知识的增长点。（1）基础要扎实

（2）抓住重点—掌握基本概念（传递函数）

（3）抓住主线—建立不同方法间的联系（稳快准）（4）提高综合分析能力

（5）学会自学—培养阅读能力

（6）理论与实践（习题、实验）相结合3§1-1引言一、基本概念：

1.控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。

为达到某一目的而施加的作用。

2.自动控制：是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之达到预期的状态或性能要求。5

3.自动控制系统：自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。二、自动控制的应用：

锅炉设备的压力和温度自动保持恒定

数控机床按照预定的程序自动地切削工件导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等等

§1-1引言6“标准清晰度”大脑手收音机“实际清晰度”耳收听电台节目时人的控制过程§1-1引言7液面位置的人工控制过程§1-1引言8

近年来，随着相关技术的发展，自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。尤其在某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。§1-1引言1060年代初又形成了现代控制理论1956年庞特里亚金提出了极大值原理。1957年贝尔曼(K．Bellman)提出了动态规划。1961年卡尔曼(R．E．Kalman)提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从60年代至今，现代控制理论又有巨大的发展，各学科相互渗透，形成了若干学科分支，如线性系统理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、智能控制、复杂大系统理论等。§1-1引言12研究对象

数学工具

常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，这一局限性已克服)经典控制理论和现代控制理论比较：14大系统控制理论“大”系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。§1-1引言15智能控制

它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题，具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如智能机器人。利用知识进行学习、推理与联想，对环境干扰与不确定因素具有鲁棒性（Robus

）。主要内容：模糊控制神经网络控制专家系统、遗传算法等

§1-1引言16

鲁棒性（Robus），也就是健壮和强壮的意思。所谓“鲁棒性”是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。控制专家用这个名字来表示当一个控制系统中的参数发生摄动时系统能否保持正常工作的一种特性或属性。就像人在受到外界病菌的感染后，是否能够通过自身的免疫系统恢复健康一样。鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题，也是一切类型的控制系统的设计中所必须考虑的一个基本问题。具有鲁棒性的系统被称作为“健康的系统”。§1-1引言17§1-2开环控制和闭环控制一、开环控制系统：1.定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。控制装置被控对象控制量扰动被控制量18例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子

直流电机转速控制系统电压放大器可控硅功放负载uskuaun+MR§1-2开环控制和闭环控制20方框图电位器电压放大器可控硅功放直流电动机usukn扰动ua§1-2开环控制和闭环控制21例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电压放大器可控硅功放负载△ukuaun+MRUsufG§1-2开环控制和闭环控制23方框图电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机usufuk-n扰动ua§1-2开环控制和闭环控制24

负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差——利用偏差来产生控制作用从而减弱或消除偏差。正反馈不能进行控制，只会使系统的偏差越来越大。

只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。

§1-2开环控制和闭环控制26例3水位控制系统

开环控制系统负反馈闭环控制系统正反馈闭环控制系统被控量是水池的水位高度h

§1-2开环控制和闭环控制27

开环控制系统：1.结构简单经济2.调试方便3.抗干扰能力差，控制精度不高

闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力2.抗扰性好，控制精度高3.包含元件多，结构复杂，价格高4.参数应选择适当

复合控制系统=开环＋闭环把闭环控制方式与开环控制方式按干扰补偿的方法结合在一起的控制方式。（兼有两者的优点，精度很高）

三、开环与闭环系统的比较：§1-2开环控制和闭环控制28§1-3自动控制系统的组成

一、自动控制系统的组成：自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。（一）硬件部分：1.给定元件：调节给定信号，以调节输出量的大小。

2.检测元件：检测输出量的大小，并反馈到输入端。

30

3.比较环节：反馈信号与给定信号在此迭加，信号的极性以“+”或“-”表示。极性相同为正反馈，极性相反为负反馈。

4.控制器：比较环节输出的信号，经控制器成为合适的信号，输出给执行元件。

5.执行元件：驱动被控对象的环节。

6.被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。

7.反馈环节：将输出量引出，再回送到控制部分。

8.校正装置：对系统的参数或结构进行调整。§1-3自动控制系统的组成31（二）系统中的各个量：

1.输入量（控制量、给定量）：通常通过给定元件给出或其他元件转换而来。

2.输出量（被控制量）：自动控制的目标。

3.反馈量：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同数量级相同的信号。

4.扰动量（干扰、噪声）：引起输出量发生变化的各种因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰动，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰动。

系统不希望但又客观存在的量。

5.中间变量：系统各环节之间的作用量。

§1-3自动控制系统的组成32例4:温控系统——自动控制控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。电压放大器功率放大器Eru+_+_炉子热电偶电热丝给定信号电动机减速器调压器220+_电压放大器功率放大器炉子热电偶_实际温度期望温度（？）控制过程：电机、减速器、调压器33框图：元件排列从左至右，给定元件在最左端，控制对象在最右端。从左至右的通道称为顺馈通道，或前向通道。将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道，或反馈回路。

放大器串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件并联校正--主反馈通道副反馈或局部反馈通道前向通道只有一个反馈通道的系统，叫单回路系统有两个及以上反馈通道的系统，叫多回路系统§1-3自动控制系统的组成34§1-4自动控制系统的分类

一、按给定信号的特点分类：

1.恒值控制系统：特点：系统的输入量是恒量，并且系统的输出量相应地保持恒定。如恒温、水位、恒压控制系统。2.过程控制系统：在生产过程中，要求自动提供一定的外界条件，如压力、温度、流量等在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。如：化工、石油等原料的生产。3.随动系统：（也叫伺服系统，跟踪系统）35特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。

火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”,要求:该系统要求有较好的跟踪能力。__受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机··§1-4自动控制系统的分类

36输入量是变化的或是随机的，并且输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。

二、按系统输入信号对时间的关系分类：

1.连续控制系统：特点：系统的输入量与输出量都是连续量或模拟量。连续系统的运动规律通常可用微分方程来描述。

2.离散控制系统：又称采样控制系统。特点：系统中的信号是脉冲序列、采样数据或数字量。离散系统的运动规律通常可用差分方程来描述。

§1-4自动控制系统的分类

37

三、按系统的输出量和输入量间的关系分类：

1.线性系统：系统全部由线性元件组成。具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述。

2.非线性系统：系统中存在非线性元件。不适用叠加原理，通常用非线性微分方程来描述。

四、按系统中的参数对时间的变化情况分类：1.定常系统：系统的全部参数不随时间变化。2.时变系统：系统中有的参数是时间的函数，它随时间变化而改变。

另外还有单变量、多变量系统，开环、闭环系统等分类方式。§1-4自动控制系统的分类

381、稳：（基本要求）要求要稳定2、快：（动态要求）系统响应的过渡过程要平稳、快速3、准：（稳态要求）系统响应达到稳态时输出跟踪精度要高§1-5自动控制系统的性能指标39§1-5自动控制系统的性能指标一、稳定性：

对任何自动控制系统，首要的条件便是系统稳定正常运行。当输入信号突然发生跳变或有扰动时，系统原有的平衡状态被破坏，通过系统内部的自动调节，能重新稳定下来的系统为稳定系统。否则为不稳定系统。稳定压倒一切！对恒值系统要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。对随动系统，被控制量始终跟踪参变量的变化。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。40判断下图系统稳定与否：

稳定

不稳定§1-5自动控制系统的性能指标41二、快速性

对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。

一般系统的动态特性有四种：单调过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程

§1-5自动控制系统的性能指标42

(a)单调过程(b)衰减振荡过程(c)等幅振荡过程(d)发散振荡过程希望过渡过程时间越短越好,振荡幅度越小越好,衰减的越快越好。43三、准确性：

对一